ANSYS在混动与电动汽车电源逆变器多物理场仿真中的应用

在竞争日益激烈的混动与电动汽车市场，如何提高系统的效率、稳定性与可靠性，已成为每一名动力工程师必须要考虑的问题。电源逆变器在传动系统中扮演着一个至关重要的角色。在一个4x6英寸的封装中包含有6个IGBT，他们可以非常迅速的开关数百安培的电流，为电机、控制电子和其它系统提供交流电源。IGBT的开关频率可以从几十到几百千赫兹不等，开关的开启和关闭时间大约在50到100纳秒之间。

由于IGBT拥有极高的开关速度使得其在逆变器中的作用十分有效，但与此同时也带来了两大电磁问题。第一，通过载流结构的传导辐射通常小于30MHz，这可能会影响系统的电力完整性，同时能量的反射波也有可能损坏逆变器和电机；第二，通过空气的辐射电磁场通常大于30MHz，这可能会使得到其它汽车的电子系统受到影响。

为了符合政府和国际的汽车电磁排放标准，这两个问题是必须要考虑的，因此负责逆变器电源系统的工程师必须对系统的电磁兼容/电磁干扰（EMC/EMI）进行分析。要实现这一点，必须先解决控制EMC/EMI行为的底层物理问题，然后再应用到电路与系统之间。采用仿真驱动设计方法的优势在于不仅可以考虑电磁兼容与电磁干扰，还可以考虑的其它电磁问题，如电流质量、功耗和整个系统的效率。

通常，使用线性电路元件和简单的电路求解器进行计算要求对系统进行大量的粗略假设与近似。但不能跳过模拟底层物理这一关键步骤进行计算，否则所得到的结果是不正确的。除此以外要想获得令人满意的结果，可能还需要对硬件原型多次循环进行测试与再设计。在大多数情况下，这些循环测试会在设计过程的后期进行，这时设计的成本会大大提升，同时还有可能错失市场。倘若不使用多物理场仿真，想要在早期阶段，还没有建立逆变器的时候对系统的电磁效应进行预测几乎是不可能的。

在ANSYS软件中提供了用于研究IGBT等设备电磁行为的全套多物理工具，专门用于研究电磁场仿真与电路系统仿真。这些工具在电源逆变器的开发中起到了十分有效的作用：

Twin Builder —— 一个多领域的电路系统仿真软件，集成有电子、热、结构、磁场和流体等组件；

Q3D Extractor —— 一种准静态计算场求解器，用于计算载流结构种与频率相关的电阻、电感、电容与电导参数；

HFSS —— 基于有限元的全波求解器，用于寄生参数的提取和三维电磁场的可视化。

为了准确的描述开关设备的行为，通常情况下，工程师应首先使用软件的参数化向导，该向导会考虑设备的性能曲线以及设备供应商所提供的产品数据。这个过程会自动提取所需参数，用于建立IGBT的半导体电路模型，而不必手动执行此项目。

接下来，将电源逆变器的物理布局从CAD或布局工具中导入到Q3D Extrator。从物理布局上，Q3DExtrator 计算沿传导路径的与频率相关的电阻、部分电感和电容。然后，工程师使用该工具在Twin Builder软件中为系统仿真创建等效电路模型。 一旦创建了完成，就可以将其与半导体电路模型结合使用来创建IGBT的完整电子模型。该模型可以联合电源、控制系统和负载一起分析。

模拟的结果可以结合HFSS软件用于检测辐射排放——特别要考虑由于快速开关产生的频率谐波。为了更好的评判结果，可以将 Twin Builder 中的结果输入到HFSS全波电磁求解器中。从而使得工程师可以对辐射场有一个全面的了解，并计算出空间中任意给定点的强度，以确定逆变器包是否符合标准。

应用这种方法，工程师不仅可以使用TwinBuilder工具对逆变器中的EMC/EMI问题进行设计并将问题的源头追溯到设备的物理布局。之后还可以对设计进行参数化处理，通过改变参数来完成一系列的仿真，直到电磁辐射水平处在可接受的范围之内。该方法的价值在于，一旦模型和各种表达完成，通过改变几个关键参数就可以很容易地修改他们，从而使得工程师可以研究各种替代方案，并探索各种各样的假设场景。除此以外，该方法还提供了一种符合规范且完全优化的设计。与构建和测试原型相比，基于多物理的仿真方法不仅能够节省了时间和金钱，还可以使公司能够在市场竞争中以更好的设计产品取胜。

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